Осмоза и тонус

Случвало ли ти се е да забравиш да полееш цветята вкъщи за няколко дни и след това да намериш някога свежата си рукола, увяхнала и оклюмала? Ако ти се е случвало, значи знаеш, че водният баланс е много важен за растенията. Растението увяхва, защото водата напуска клетките му и те губят вътрешното налягане, наречено тургор, което в нормални условия дава опора на растението.

Защо водата напуска клетките? Количеството на водата извън клетките намалява, когато растението губи вода, но количеството йони и други частици в пространството извън клетките остава същото. Това повишаване на концентрацията на разтвореното вещество "привлича" водата и тя преминава от клетките към междуклетъчните пространства чрез процес, наречен осмоза.

Осмоза е нетното преминаване на вода през полупропусклива мембрана от участък с по-ниска концентрация на разтворено вещество към участък с по-висока концентрация на разтвореното вещество. В първия момент това може да ти се стори странно, тъй като обикновено говорим за дифузия на веществата, разтворени във вода, а не за придвижването на самата вода. Въпреки това осмозата е важна за много биологични процеси и често протича едновременно с дифузията или транспорта на разтворените вещества. Тук ще разгледаме в повече подробности как работи осмозата и защо е важна за водния баланс в клетките.

Защо водата преминава от места, където концентрацията на разтворените вещества е по-малка, към места, където концентрацията им е по-висока?

Това всъщност е сложен въпрос. За да му отговорим, нека първо си припомним защо протича дифузията. При дифузията молекули преминават от участък с по-висока концентрация към участък с по-ниска концентрация, не защото молекулите осъзнават в каква среда се намират, а заради вероятността. Когато вещество е в газообразно или течно състояние, молекулите му са в постоянно и случайно движение, блъскат се една в друга или се разминават. Ако има много молекули на дадено вещество в отделение А и няма никакви молекули на това вещество в отделение В, е много малко вероятно, всъщност е невъзможно, молекула случайно да премине от В в А. От друга страна има много голяма вероятност молекула да премине от А към В. Можеш да си представиш всички тези молекули, които се блъскат в отделение А, някоя от тях ще прескочи в отделение В. Така че нетното движение на молекули ще е от А към В и това ще продължи, докато концентрациите в двете отделения не се изравнят.

При осмозата отново можеш да мислиш за молекули, този път водни молекули, в две отделения, разделени от мембрана. Ако нито едно от отделенията не съдържа разтворено вещество, вероятността молекулите да преминат към едното или към другото отделение ще е еднаква. Но ако добавим разтворено вещество в едното отделение, ще променим и вероятността водните молекули да напуснат това отделение и да преминат в другото, по-точно, тази вероятност ще се намали.

Но защо? За това може да има няколко обяснения. Едното от тях, което има най-голяма научна подкрепа, е, че молекулите на разтвореното вещество отскачат от мембраната и физически изблъскват водните молекули назад и надалеч от мембраната. Това намалява вероятността водните молекули да преминат през мембраната${}^{1,2}$‍.

Независимо от точния механизъм, основната идея е, че колкото повече разтворено вещество има във водата, толкова по-малко склонна е тя да премине през мембраната и в съседното отделение. Това води до нетен поток на вода от участъци с по-ниска концентрация на разтворено вещество към участъци с по-висока концентрация на разтворено вещество.

Този процес е илюстриран в примера с бехеровата чаша по-горе. В нея ще има нетен поток на вода от лявото към дясното отделение, докато концентрацията на разтвореното вещество почти се изравни в двете отделения. Забележи, че концентрацията на разтвореното вещество няма да стане напълно еднаква в двете отделения, тъй като хидростатичното налягане, упражнявано от покачващото се ниво на водата отдясно, ще се противопостави на осмотичната движеща сила. Това ще доведе до достигане на равновесие малко преди пълното изравняване на концентрацията на веществото в двете отделения.

Осмоларитетът описва общата концентрация разтворени вещества в един разтвор. Разтвор с по-нисък осмоларитет има по-малко частици на разтвореното вещество на литър разтвор, докато разтвор с висок осмоларитет има повече частици разтворено вещество на литър разтвор. Когато разтвори с различен осмоларитет са разделени от мембрана, пропусклива за вода, но не и за разтвореното вещество, водата ще се придвижи от страната с по-нисък осмоларитет към страната с по-висок осмоларитет.

Три термина – хиперосмотичен, хипоосмотичен и изоосмотичен – се използват, за да опишат относителните осмоларитети между разтворите. Например когато сравняваме два разтвора, които имат различни осмоларитети, разтворът с по-висок осмоларитет се нарича хиперосмотичен спрямо другия, а разтворът с по-нисък осмоларитет се нарича хипоосмотичен. Ако двата разтвора имат един и същи осмоларитет, те се наричат изоосмотични.

В здравеопазването и в биологичните лаборатории често е полезно да мислим как разтворите ще влияят на движението на водата навътре и навън от клетките. Способността на един извънклетъчен разтвор да накара водата да се движи навътре или навън от клетката чрез осмоза се нарича тоничност. Тоничността е малко различна от осмоларитета, понеже взима под внимание и относителните концентрации на разтвореното вещество, и пропускливостта на клетъчната мембрана по отношение на тези разтворени вещества.

Три термина – хипертоничен, хипотоничен и изотоничен – се използват за описване на това дали един разтвор ще накара водата да навлезе в или излезе от клетката:

Ако една клетка е поставена в хипертоничен разтвор, ще наблюдаваме поток на вода навън от клетката и клетката ще загуби обем. Един разтвор е хипертоничен спрямо дадена клетка, ако концентрацията на разтворено вещество в него е по-висока от тази вътре в клетката и разтворените вещества не могат да пресекат мембраната.

Ако една клетка е поставена в хипотоничен разтвор, ще се наблюдава движение на водата навътре в клетката и обемът на клетката ще нарасне. Ако концентрацията на разтвореното вещество извън клетката е по-ниска от тази вътре в клетката и разтворените вещества не могат да пресекат мембраната, тогава този разтвор е хипотоничен спрямо клетката.

Ако една клетка е поставена в изотоничен разтвор, тогава няма да има движение на вода навътре или навън от клетката и клетъчният обем ще остане непроменен. Ако концентрацията на разтворено вещество извън клетката е същата като вътре в клетката и разтворените вещества не могат да пресекат мембраната, тогава този разтвор е изотоничен спрямо клетката.

Ако една клетка е поставена в хипертоничен разтвор, водата ще напусне клетката и клетката ще се свие. В изотонична среда няма движение на водата, така че няма промяна в размера на клетката. Когато една клетка е поставена в хипотонична среда, водата ще навлезе в клетката и клетката ще се подуе.

За червените кръвни клетки идеалните условия са изотонични. В тялото има системи, които поддържат хомеостаза (стабилност), и осигуряват постоянното наличие на тези условия. Ако червената кръвна клетка е в хипотоничен разтвор, обемът ѝ ще се увеличи (клетката ще се издуе) и може да се пръсне. Ако е поставена в хипертоничен разтвор, обемът на клетката ще се намали (ще се свие), цитоплазмата ще стане по-плътна, а съдържанието ѝ - по-концентрирано. В тези условия клетката може да умре.

Но за растителните клетки идеалният извънклетъчен разтвор е хипотоничен. Плазмената мембрана на клетката може да се разшири само колкото ѝ позволява плътната клетъчна стена, така че клетката не се пръска или лизира. Всъщност цитоплазмата на растителните клетки е леко хипертонична спрямо средата им. В клетката навлиза вода дотогава, докато вътрешното налягане на клетката, т.нар. тургурно налягане, не се противопостави на по-нататъшното навлизане на вода.

Поддържането на равновесието на водата и разтворените вещества е много важно за здравето на растението. Ако растението не се полива, извънклетъчната течност става изотонична или хипертонична, което води до загуба на вода от растителните клетки. Следователно и загуба на тургорно налягане, което можеш да забележиш, когато растението увехне. При хипертонични условия клетъчната мембрана може да се отлепи от клетъчната стена, а цитоплазмата се свива. Този процес се нарича плазмолиза (илюстриран в левия панел по-долу).

Тоничността е от значение за всички живи същества, особено за тези, които нямат устойчиви клетъчни стени и живеят в хипер- или в хипотонични условия. Например чехълчетата, показани по-долу, както и амебите, които са протисти, притежават специализирани структури, наречени съкратителни вакуоли, но не и клетъчна стена. Съкратителната вакуола поема излишъка от вода в клетката и я изпомпва навън. Така вакуолата предпазва клетката от лизиране, тъй като приема водата от хипотоничната среда.